(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu mô phỏng quá trình cháy của động cơ xăng cỡ nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRỊNH VĂN HẢI NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG CỠ NHỎ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 1820504 SKC006336 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN: TRỊNH VĂN HẢI NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG CỠ NHỎ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 1820504 Hướng dẫn khoa học: TS LÊ XUÂN THẠCH Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2019 i ii iii iv v vi vii viii Tiếp tục khảo sát đánh giá ảnh hưởng thơng số vận hành (lưu lượng phun, góc đánh lửa sớm) đến mô men, công suất, độ phát thải, từ góp phần ngày hồn thiện đồ Map Engine 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tổng cục Thống kê, Kết Thống kê tình hình kinh tế, xã hội năm 2017, Nhà xuất Thống kê 2018 [2] Tổng cục Thống kê, Kết Thống kê điều tra nông thôn, Nông nghiệp Thủy sản năm 2011, Nhà xuất Thống kê 2012 [3] Lê Anh Tuấn, Triệu Tiến Chuẩn, Nguyễn Đức Khánh, Cao Văn Tài, Nghiên cứu mơ AVL Boost tính động xe máy bổ sung khí HHO vào đường nạp - Tạp chí GTVT số tháng 8/2012 [4] dongcobiogas.com [5] Nguyễn Tuấn Nghĩa, Nghiên cứu thiết kế cấu phối khí linh hoạt động xăng xy lanh công suất nhỏ, 2018 [6] [7] http://honda.com.vn/ Bùi Thái Sơn, Tính tốn mơ động xăng thơng thường chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu linh hoạt - Luận văn Thạc sĩ Khoa học, 2015 [8] Radu Chiriac, et al; Effects of Gasoline-Air Enrichment with HRG Gas on Efficiency and Emissions of a SI Engine; SAE Paper 2006- 01- 3431 [9] T D’Andrea, et al; Investigating Combustion Enhancement and Emissions Reduction with the Addition of 2H2 + O2 to a SI Engine; SAE Paper 2003-32- 0011 [10] Ammar A Al-Rousan; Reduction of fuel consumption in gasoline engines by introducing HHO gas into intake manifold; Int J of Hydrogen Energy, Vol 35, pp 12930-12935, 2010 [11] Shuofeng Wang, et al; Comparison of the performance of a spark-ignited gasoline engine blended with hydrogen and hydrogen-oxygen mixtures; Energy, Vol 36, pp 5832-5837, 2011 [12] Boost User’s Guide - 2010  50 NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG CỠ NHỎ RESEARCH SIMULATION SIMULATION FIRE PROCESS OF SMALL GASOLINE ENGINE Trịnh Văn Hải Học viên cao học Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TÓM TẮT Việc chuyển đổi động xăng cỡ nhỏ phục vụ mục đích tĩnh tại, sử dụng chế hịa khí đánh lửa thường sang sử dụng hệ thống phun xăng đánh lửa điện tử EFI khả thi, hoàn tồn thực với chi phí phù hợp, góp phần tiết kiệm nhiên liệu, giảm thiểu phát thải nhiễm từ khí thải động Mơ hình mơ động Huahie 5,5Hp xây dựng sở phần mềm Boost hãng AVL phản ảnh tương đối xác so với động thực Cho phép rút ngắn thời gian khảo sát giúp định hướng q trình tính tốn khảo sát, lựa chọn phương án chuyển đổi động xăng Huahie 5,5 Hp sử dụng chế hịa khí sang sử dụng hệ thống nhiên liệu EFI Góc đánh lửa sớm tối ưu bướm ga mở hoàn toàn, tốc độ động thay đổi từ 2000 vòng/phút đến 3600 vòng/phút thay đổi phạm vi từ 14 đến 17 độ trước điểm chết Ở chế độ làm việc bướm ga mở hồn tồn (n = 3000 vịng/phút), góc đánh lửa sớm tối ưu nhằm đảm bảo công suất mô men động đạt giá trị tối đa khoảng 16 độ trước điểm chết Từ khóa: Động xăng tĩnh tại; phun xăng, góc đánh lửa sớm, mơ ABSTRACT The study shows that the conversion of a small gasoline engine using a carburetor and ignition into an EFI (Electronic Fuel Injection) systemfor stationary purposes is possibly effective with appropriate costs Using the new system makes contributions to fuel savings and reduces exhaust emissions The Huahie 5.5Hp engine simulation model built on AVL's Boost software reflects accurately compared to the real engine It allows to shorten the survey length, helps guide the calculating process and chooses the option of converting Huahie 5.5 Hp gasoline carbureted engine into the EFI system The optimal advancing ignition timing is approximately 14 to 17 degrees before the top dead centerwhen the throttle is fully opened, the engine speed variations from 2000 rpm to 3600 rpm At fully wide throttle open mode (n = 3000 rpm), the optimaladvancing ignitiontiming is approximately 16 degrees before top dead center ensuring the power and torque engine are both at maximum values Keywords: Gasoline engine; fuel injection, the Huahie 5.5Hp; advancing ignition timing, AVL's Boost ĐẶT VẤN ĐỀ cỏ, máy xịt thuốc, máy phát điện, chế biến cà Hiện nay, đa số động xăng tĩnh phê sử dụng hệ thống nhiên liệu cỡ nhỏ dùng nông nghiệp như: máy cắt chế hịa khí hệ thống đánh lửa thơng thường nhằm giảm giá thành, tăng tính cạnh tranh Tuy nhiên, dịng động có nhược điểm hạn chế tính làm việc, tiêu hao nhiên liệu phát thải ô nhiễm mơi trường Do hiệu sử dụng nhiên liệu không cao, phát thải nhiều ô nhiễm môi trường Trước phát triển công nghệ nay, với phổ biến cơng nghệ phun xăng đánh lửa điện tử dòng xe máy đại, tạo điều kiện thuận lợi để ứng dụng công nghệ phun xăng đánh lửa điện tử dòng động xăng tĩnh cỡ nhỏ dùng chế hịa khí truyền thống Mục tiêu đề tài đề xuất phương án thay chế hòa khí đánh lửa thường động Huahia 5.5hp hệ thống phun xăng đánh lửa điện tử Xây dựng mơ hình mơ phịng động Huahia 5.5 hp phần mềm Boost hãng AVL Nghiên cứu mô đánh giá ảnh hưởng thông số kết cấu vận hành đến tính kinh tế, kỹ thuật động Đối tượng nghiên cứu đề tài động xăng tĩnh Huahie 5.5hp, xy lanh sử dụng hệ thống nhiên liệu chế hịa khí CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mơ hình cháy Mơ hình cháy Fractal dùng cho động đánh lửa cưỡng bức, đề cập BOOST, dự đốn tốc độ giải phóng nhiệt động khí nạp đồng Do phải xét đến ảnh hưởng thơng số quan trọng sau: Hình dạng buồng cháy; Vị trí lại tăng lên, kết hình thành sóng lửa thời gian đánh lửa; Thành phần khí nạp; Chuyển động nạp mức độ xoáy lốc - Xoáy lốc: ̇̇ ̇̇ √ ( ) Trong đó: K: Năng lượng động lực lưu lượng trung bình (Uf): Sự sinh chủ yếu liên quan đến tốc độ nạp thải k: Năng lượng động lực học lưu lượng xoáy lốc (giả thuyết đẳng hướng) : Tốc độ phân tán P: Biểu thị sinh xoáy lốc đặc trưng cho truyền lượng lưu lượng xoáy lốc lưu lượng xoáy lốc trung bình Ct: Hằng số điều chỉnh Phương trình 2.1 - 2.3 tổng hợp tất thông qua chu trình động sinh xốy lốc thay đổi mật độ khí chưa cháy bên xilanh suốt kỳ nén giãn nở bao gồm K k - Sự đánh lửa Những tượng phức tạp xảy sau xuất đánh lửa dạng nhũ tương lan tràn hạt lửa xảy sau diễn tả chi tiết Quá trình hình thành hạt nhân kết thúc sau khoảng 200ms (điều hưởng nhân thời gian hình thành đánh lửa Cign) sau đánh lửa bán kính lửa giới hạn khoảng 2mm Trong suốt giai đoạn này, tốc độ cháy cao, phụ thuộc vào lượng giải phóng hệ đánh lửa, đạt tối thiểu với giá trị giống với tốc độ cháy tầng sau - Cháy sát vách Khi màng lửa lan truyền tới thành buồng cháy, cấu phân dạng diễn đạt lan truyền lửa không cịn hiệu lực Những đặc tính quan trọng hoàn thiện cháy liên quan tới ảnh hưởng thành vách trình cháy (hiện tượng cháy sát vách) 2.2 M hình truyền nhiệt 2.2.1 Quá trình áp uất cao Định luật nhiệt động học cho hệ thống kín sau (giả định mơ hình chiều đơn giản hóa), thể mối quan hệ biến thiên nội (hay enthalpy) với biến thiên nhiệt công: ( ) ∑ Phương trình sử dụng cho hai trường hợp động có hình thành hỗn hợp khí bên bên ngồi xylanh 2.2.2 Q trình trao đổi khí (q trình áp suất thấp) Q trình phải đưa vào lưu lượng khối lượng khí, phương trình định luật nhiệt động học 1: ∑ Trong đó: hin: enthalpy khí vào xylanh hout: enthalpy khí xylanh dmin: Phần tử khối lượng chảy vào xylanh dmout: Phần tử khối lượng chảy khỏi xy lanh Trong đó: xy lanh; hiện; - - - : Nhiệt lượng cấp vào; ∑ : Tổn thất nhiệt qua vách; : Tổn thất enthalpy lọt khí; 2.3 Xây dựng mơ hình mơ 2.3.1 Xây dựng mơ hình Dựa đặc điểm cấu tạo thông số kỹ thuật động động sau chuyển đổi, sử dụng phần tử có s n AVL BOOST xây dựng mơ hình động đánh lửa cưỡng có sử dụng vịi phun xăng bố trí đường nạp mC : Khối lượng môi chất bên xylanh; - u: Nội năng; pcyl : áp suất bên xylanh; V: Thể tích xylanh; QF : Nhiệt lượng nhiên liệu cung cấp; α: Góc quay trục khuỷu; hBB: Trị số enthalpy; - : Biến thiên khối lượng dịng chảy Hình 2.1 Giao diện xây dựng mơ hình mơ Xy lanh Bình tiêu âm Vịi phun 2.3.2 Quy trình mơ Hình 2.2 Mơ hình mơ động Huahie 5,5HP Trong phạm vi nghiên cứu đề tài, tác giả giới hạn trường hợp khảo sát ứng với độ mở bướm ga 100% Quy trình mơ thực sau: - Bước 1: Khai báo thông số phần tử thuộc mô hình; chạy thử nghiệm; so sánh mơmen cơng suất với động thực; hồn thiện thơng số mơ hình Bước 2: Từ mơ hình hồn thiện, tiến hành khảo sát biến thiên mômen công suất động 0 thay đổi góc đánh lửa sớm từ đến 30 trước điểm chết (TĐCT) tốc độ động 3000 vòng/phút, bướm ga mở 100% - Bước 3: Khảo sát tìm góc đánh lửa sớm tối ưu biến thiên theo tốc độ động cơ, bướm ga mở 100% Kết bàn luận 3.1 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến mơ men cơng suất động Mơ men, Me(N.m) Hình 2.3 Cửa sổ khai báo thơng số xylanh Hình 2.4 Cửa sổ khai báo góc đánh lửa sớm Hình 2.5 Cửa sổ khai báo biên dạng cam thải (nạp) = 3000 vòng/phút, góc đánh lửa sớmthay đổi Cơng suất, Ne(Kw) Pressure[Pa] Hình 3.2 Biến thiên cơng suất động thay đổi góc đánh lửa sớm từ đến 30 độ (Tốc độ động 3000 vòng/phút) Dựa vào đồ thị Hình 3.1 Hình 3.2 cho thấy tốc độ động 3000 vịng/phút, tăng góc đánh lửa sớm giá trị cơng suất mơ men động tăng đạt giá trị cực đại ứng với góc đánh lửa sớm 16 độ Sau tăng góc đánh lửa sớm (trên 16 độ) giá trị công suất mô men động giảm Hình 3.3 Biến thiên áp suất buồng cháy thay đổi góc đánh lửa sớm (Bướm ga mở 100%, n = 3000 vịng/phút, góc đánh lửa sớm thay đổi từ đến 30 TĐCT) Khảo sát diễn biến áp suất buồng cháy cố định độ mở bướm ga mở 100%, n từ đến 30 TĐCT Kết nhận (Hình 3.18) cho thấy tăng góc đánh lửa sớm, điểm có áp suất cực đại xảy gần điểm chết Tuy nhiên cơng có ích Mơ men, Me (N.m) động khơng đơn tăng cách tuyến tính theo độ tăng góc đánh lửa sớm: chế độ làm việc cụ thể, đánh lửa sớm, trình gia tăng áp suất đốt cháy phần hỗn hợp, lại diễn piston trình lên ĐCT, dẫn đến tổn thất đáng kể phần lượng sinh từ việc đốt cháy lượng hỗn hợp này, dẫn đến cơng suất có ích lại giảm Hình 3.4 Sự thay đổi mơ men cơng suất động theo số vịng quay (góc đánh lửa sớm giữ cố định 16 độ, bướm ga mở 100%) Khi cố định góc đánh lửa sớm 16 độ trước điểm chết trên, tăng số vịng quay cơng suất động tăng; nhiên mô men động tăng phạm vi tốc độ động từ 2000 đến 2600 vòng/phút; số vòng quay lớn 3000 vòng/phút cơng suất tiếp tục gia tăng, mơ men động lại giảm (Hình 3.19) 3.2 So sánh kết thực nghiệm mô phỏng: So sánh kết thực nghiệm (do nhà sản xuất công bố) kết mơ trường hợp góc đánh lửa sớm 16 , bướm ga mở hoàn toàn, tốc độ động thay đổi từ 2000 v/ph đến 3500 v/ph (Hình 3.5 Hình 3.6) Kết cho thấy độ sai lệch kết mơmen nhận từ tính tốn mơ so với kết nhà sản xuất công bố xấp xỉ 12%, nhiên độ sai lệch công suất xấp xỉ 7% đảm bảo độ tin cậy, phản ánh tương đối xác động thực tế 15.0 14.0 Mô 13.0 12.0 11.0 Me (N.m) 10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 2000 5.0 Mô 4.0 Ne (N.m) 3.0 2.0 1.0 0.0 2000 3.3 Xác định góc đánh lửa sớm tối ưu dựng đồ động (map engine) sau hiệu Ne Me 3.5 Công suất, Ne (Kw) 3.4 3.3 3.2 3.1 Góc đánh lửa sớm, độ Ne n = 2800v/p Me 3.7 Công suất, Ne (Kw) 3.6 3.5 3.4 3.3 Ne Me 3.9 Công suất, Ne (Kw) 3.8 3.7 3.6 3.5 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Góc đánh lửa ớm, độ thiên công suất mô men động thể từ Hình 3.7 đến Hình 3.15 Hình 3.16 Biến thiên góc đánh lửa sớm tối ưu theo tốc độ động (Bướm ga mở 100%, n = 2000÷3600v/p) Từ kết nhận được, lập bảng giá trị góc đánh lửa sớm tối ưu theo số vịng quay động Khi bướm ga mở hồn tồn, góc đánh lửa sớm cần tăng đặn từ 14 đến 17 TĐCT tương ứng tăng số vòng quay động từ 2000 đến 3600 vòng/phút KẾT LUẬN Việc chuyển đổi động xăng cỡ nhỏ phục vụ mục đích tĩnh tại, sử dụng chế 2000 2200 2400 2600 hịa 2800 3000 3400 3600 khí 3200 đánh lửa thường sang sử dụng hệ thống phun xăng đánh lửa điện tử EFI khả Tốc độ động cơ, n ( ịng/phút) thi, hồn tồn thực với chi phí phù hợp, góp phần tiết kiệm nhiên liệu, giảm thiểu phát thải ô nhiễm từ khí thải động Mơ hình mơ động Huahie 5,5Hp xây dựng sở phần mềm Boost hãng AVL phản ảnh tương đối xác so với động thực Cho phép rút ngắn thời gian khảo sát giúp định hướng q trình tính tốn khảo sát, lựa chọn phương án chuyển đổi động xăng Huahie 5,5 Hp sử dụng chế hịa khí sang sử dụng hệ thống nhiên liệu EFI Góc đánh lửa sớm tối ưu bướm ga mở hoàn toàn, tốc độ động thay đổi từ 2000 vòng/phút đến 3600 vòng/phút thay đổi phạm vi từ 14 đến 17 độ trước điểm chết Ở chế độ làm việc bướm ga mở hồn tồn (n = 3000 vịng/phút), góc đánh lửa sớm tối ưu nhằm đảm bảo công suất mô men động đạt giá trị tối đa khoảng 16 độ trước điểm chết Đề tài chưa đánh giá ảnh hưởng thông số vận hành đến nồng độ chất nhiễm có khí xả; ảnh hưởng thành phần hỗn hợp đến giá trị góc đánh lửa sớm tối ưu Đây điểm hạn chế đề tài TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tổng cục Thống kê, Kết Thống kê tình hình kinh tế, xã hội năm 2017, Nhà xuất Thống kê 2018 [2] Tổng cục Thống kê, Kết Thống kê điều tra nông thôn, Nông nghiệp Thủy sản năm 2011, Nhà xuất Thống kê 2012 [3] Radu Chiriac, et al; Effects of GasolineAir Enrichment with HRG Gas on Efficiency and Emissions of a SI Engine; SAE Paper 2006- 01- 3431 [4] T D’Andrea, et al; Investigating Combustion Enhancement and Emissions Reduction with the Addition of 2H2 + O2 to a SI Engine; SAE Paper 2003-32- 0011 [5] Ammar A Al-Rousan; Reduction of fuel consumption in gasoline engines by introducing HHO gas into intake manifold; Int J of Hydrogen Energy, Vol 35, pp 12930-12935, 2010 [6] Shuofeng Wang, et al; Improving the performance of a gasoline engine with the addition of hydrogeneoxygen mixtures; Int J of Hydrogen Energy, Vol 36, pp 1116411173, 2011 [7] Shuofeng Wang, et al; Comparison of the performance of a spark-ignited gasoline engine blended with hydrogen and hydrogen-oxygen mixtures; Energy, Vol 36, pp 5832-5837, 2011 [8] Boost User’s Guide – 2010 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Họ tên: Trịnh Văn Hải Đơn vị: Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Điện thoại: 0905196567 Email: Trinhvanhaiph41@gmail.com TS Lê Xuân Thạch ... MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN: TRỊNH VĂN HẢI NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG CỠ NHỎ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 1820504 Hướng dẫn khoa học: TS LÊ XUÂN THẠCH Tp... thêm nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu mơ q trình làm việc động trước sau chuyển đổi Do đó, tơi chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu mơ q trình cháy động xăng cỡ nhỏ? ?? nhằm góp phần định hướng nghiên cứu cải... động xăng tĩnh cỡ nhỏ, chuyển đổi hệ thống nhiên liệu BCHK nguyên thủy sang hệ thống nhiên liệu EFI 1.7 Hướng nghiên cứu Việc nghiên cứu mơ q trình cháy động xăng cỡ nhỏ, cụ thể động Huahie 5,5